Турбореактивный двигатель Rolls-Royce Olympus: от Vulcan до Concorde
Rolls-Royce Olympus
Двигатель Rolls Royce Olympus: сверхзвуковой турбореактивный двигатель с форсажной камерой, использовавшийся в Avro Vulcan и Concorde. История и развитие.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Сверхзвуковой турбореактивный двигатель с форсажной камерой
Supersonic turbojet engine with afterburner
Rolls Royce Olympus (первоначально Bristol B. E.10 Olympus) был вторым в мире двухкатушным турбореактивным двигателем с осевым потоком, впервые запущенным в мае 1950 года, и уступившим в разработке только двигателю Pratt & Whitney J57, впервые запущенному в январе 1950 года. Он наиболее известен как силовая установка самолетов Avro Vulcan и более поздних моделей сверхзвукового лайнера Concorde SST. Разработка двигателя началась в ноябре 1946 года с предложения компании Bristol Aeroplane Company создать реактивный бомбардировщик, оснащенный четырьмя новыми двигателями, которые должны были поставляться Bristol Aero Engines. Хотя проект бомбардировщика в конечном итоге был отменен в пользу других бомбардировщиков V-серии, использование двухкатушной схемы в конструкции двигателя вызвало устойчивый интерес со стороны Министерства авиации и продолжение финансирования разработки. Двигатель впервые запустили в 1950 году, и он быстро превзошел свои расчетные характеристики. Первоначально использовавшийся на Vulcan, в более поздних версиях был добавлен форсаж для использования на сверхзвуковом самолете BAC TSR 2. В 1959 году Bristol Aero Engines объединилась с Armstrong Siddeley Motors, образовав Bristol Siddeley Engines Limited (BSEL), которая, в свою очередь, была приобретена Rolls Royce в 1966 году. В этот период двигатель был усовершенствован и получил название Rolls Royce/Snecma Olympus 593 для использования на Concorde. Лицензии на производство различных версий двигателя были переданы компании Curtiss Wright в США под обозначениями TJ 32 или J67 (военное обозначение) и TJ 38 "Zephyr", однако ни одна из этих версий не была запущена в серийное производство. Olympus также успешно разрабатывался как морские и промышленные газовые турбины, которые имели большой успех. По состоянию на 2018 год Olympus продолжает эксплуатироваться как в качестве морской, так и промышленной газовой турбины.
The Rolls Royce Olympus (originally the Bristol B. E.10 Olympus) was the world's second two spool axial flow turbojet aircraft engine design, first run in May 1950 and preceded only by the Pratt & Whitney J57, first run in January 1950. It is best known as the powerplant of the Avro Vulcan and later models in the Concorde SST. The design dates to a November 1946 proposal by Bristol Aeroplane Company for a jet powered bomber, powered by four new engines which would be supplied by Bristol Aero Engines. Although their bomber design was ultimately cancelled in favour of the other V bombers, the engine design's use of twin spool layout led to continued interest from the Air Ministry and continued development funding. The engine first ran in 1950 and quickly outperformed its design goals. Initially used in the Vulcan, later versions added reheat for use in the supersonic BAC TSR 2. Bristol Aero Engines merged with Armstrong Siddeley Motors in 1959 to form Bristol Siddeley Engines Limited (BSEL), which in turn was taken over by Rolls Royce in 1966. Through this period the engine was further developed as the Rolls Royce/Snecma Olympus 593 for Concorde. Versions of the engine were licensed to Curtiss Wright in the US as the TJ 32 or J67 (military designation) and the TJ 38 'Zephyr', although none saw use. The Olympus was also developed with success as marine and industrial gas turbines, which were highly successful. As of 2018, the Olympus remains in service as both a marine and industrial gas turbine.
Происхождение
В конце Второй мировой войны основными усилиями Бристольской двигательной компании была разработка радиальных поршневых двигателей «Геркулес» и «Кентавр». К концу 1946 года компания располагала всего 10 часами опыта работы с небольшим экспериментальным турбореактивным двигателем под названием Phoebus, который являлся газогенератором или ядром турбовинтового двигателя Proteus, находившегося в разработке. В начале 1947 года материнская компания Bristol Aeroplane Company представила предложение о создании бомбардировщика средней дальности, соответствующее спецификации B.35/46, что в итоге привело к созданию Avro Vulcan и Handley Page Victor. Проект Bristol получил обозначение Type 172 и должен был оснащаться четырьмя или шестью двигателями Bristol, обеспечивающими тягу в соответствии со спецификацией TE.1/46. Требуемая тяга нового двигателя, первоначально обозначенного B. E.10 (позже Olympus), должна была составлять с возможностью увеличения до. Соотношение давлений в 9:1 считалось беспрецедентным. Для достижения этого в первоначальной конструкции использовались осевой компрессор низкого давления (LP) и центробежный компрессор высокого давления (HP), каждый из которых приводился в действие собственной одноступенчатой турбиной. Такая двухкатушечная конструкция устранила необходимость в таких элементах, как переменные входные направляющие лопатки (Avon, J79), входные рампы (J65), переменные статоры (J79) или продувка компрессора (Avon), которые требовались для однокатушечных компрессоров с соотношением давлений выше примерно 6:1. Без этих элементов двигатель не мог быть запущен или работать на низких оборотах без разрушительных колебаний лопаток. Кроме того, он не мог быстро разгоняться до высоких оборотов ("спул-ап") без срыва потока. Конструкция постепенно модифицировалась, и центробежный компрессор высокого давления был заменен на осевой. Это уменьшило диаметр нового двигателя до проектных характеристик. Проект Bristol Type 172 был отменен, хотя разработки продолжались для Avro Vulcan и других проектов.
At the end of World War II, the Bristol Engine Company's major effort was the development of the Hercules and Centaurus radial piston engines. By the end of 1946, the company had only 10 hours of turbojet experience with a small experimental engine called the Phoebus which was the gas generator or core of the Proteus turboprop then in development. In early 1947, the parent Bristol Aeroplane Company submitted a proposal for a medium range bomber to the same specification B.35/46 which led to the Avro Vulcan and Handley Page Victor. The Bristol design was the Type 172 and was to be powered by four or six Bristol engines of thrust to the Ministry engine specification TE.1/46. The thrust required of the new engine, then designated B. E.10 (later Olympus), would initially be with growth potential to The pressure ratio would be an unheard of 9:1. To achieve this, the initial design used a low pressure (LP) axial compressor and a high pressure (HP) centrifugal compressor, each being driven by its own single stage turbine. This two spool design eliminated the need for features such as variable inlet guide vanes (Avon, J79), inlet ramps (J65), variable stators (J79) or compressor bleed (Avon) which were required on single spool compressors with pressure ratios above about 6:1. Without these features an engine could not be started nor run at low speeds without destructive blade vibrations. Nor could they accelerate to high speeds with fast acceleration times ("spool up") without surge. The design was progressively modified and the centrifugal HP compressor was replaced by an axial HP compressor. This reduced the diameter of the new engine to the design specification of The Bristol Type 172 was cancelled though development continued for the Avro Vulcan and other projects.
Первоначальная разработка
Первый двигатель, получивший обозначение BOl.1 (Bristol Olympus 1) в процессе разработки, имел шесть ступеней компрессора низкого давления и восемь ступеней компрессора высокого давления, каждая из которых приводилась в действие одноступенчатой турбиной. Система сгорания была новаторской: десять соединенных камер сгорания размещались в канулярной системе – гибриде отдельных камер сгорания и полноценной кольцевой системы. Отдельные камеры сгорания превысили бы допустимый диаметр, а полноценная кольцевая система считалась слишком сложной для реализации. В 1950 году доктором (впоследствии сэром) Стэнли Хукером был назначен главным инженером Bristol Aero Engines. Следующей разработкой стал BOl.1/2, который выдал тягу в декабре 1950 года. Были построены образцы аналогичного BOl.1/2A для американской компании Curtiss Wright, которая приобрела лицензию на разработку двигателя под обозначениями TJ 32 или J67 для перспективного F 102. Несколько модифицированный BOl.1/2B был запущен в декабре 1951 года и выдал тягу. Двигатель был готов к летным испытаниям, и первые двигатели, получившие обозначение Olympus Mk 99, были установлены на самолет Canberra WD952, который впервые поднялся в воздух с этими двигателями, мощность которых была снижена до тяги в августе 1952 года. В мае 1953 года этот самолет достиг мирового рекордной высоты в 63668 футов (19406 м). Оснащенный более мощными двигателями Mk 102, Canberra увеличил рекорд до 65876 футов (20079 м) в августе 1955 года. Первый серийный Olympus Mk 101 поступил в эксплуатацию в конце 1952 года с номинальной тягой 11 000 фунтов, весом 3650 фунтов и наработкой до капитального ремонта (TBO) 250 часов.
The first engine, its development designation being BOl.1 (Bristol Olympus 1), had six LP compressor stages and eight HP stages, each driven by a single stage turbine. The combustion system was novel in that ten connected flame tubes were housed within a cannular system: a hybrid of separate flame cans and a true annular system. Separate combustion cans would have exceeded the diameter beyond the design limit, and a true annular system was considered too advanced. In 1950, Dr (later Sir) Stanley Hooker was appointed as Chief Engineer of Bristol Aero Engines. The thrustmeter showed The next development was the BOl.1/2 which produced thrust in December 1950. Examples of the similar BOl.1/2A were constructed for US manufacturer Curtiss Wright which had bought a licence for developing the engine as the TJ 32 or J67 for the projected F 102. The somewhat revised BOl.1/2B, ran in December 1951 producing thrust. The engine was by now ready for air testing and the first flight engines, designated Olympus Mk 99, were fitted into a Canberra WD952 which first flew with these engines derated to thrust in August 1952. In May 1953, this aircraft reached a world record altitude of 63668 feet (19406 m). Fitted with more powerful Mk 102 engines, the Canberra increased the record to 65876 feet (20079 m) in August 1955. The first production Olympus, the Mk 101, entered service in late 1952 at a rated thrust of 11,000 lb, a weight of 3,650 lb, and with a TBO of 250 hours.
Варианты
Olympus значительно модернизировался на протяжении всего периода производства, и многочисленные варианты можно отнести к четырем основным группам. Первоначальные варианты без форсажной камеры были разработаны и произведены компаниями Bristol Aero Engines и Bristol Siddeley и использовались на дозвуковом Avro Vulcan. Эти двигатели были впоследствии доработаны Rolls Royce Limited. Первый форсажный вариант, Bristol Siddeley Olympus Mk 320, предназначался для сверхзвукового ударного самолета BAC TSR 2, проект которого был отменен. Для Concorde в 1960-х годах он был разработан в Rolls Royce/Snecma Olympus 593, который затем совершенствовался в нескольких последующих версиях, чтобы обеспечить надежную эксплуатацию в гражданской авиации. Olympus 593 является наглядным примером "интеграции силовой установки и конструкции планера". Для оптимизации работы двигателя на скоростях от взлета до Маха 2 на Concorde были разработаны регулируемый воздухозаборник и сопло переменного сечения с системой реверса тяги. В преддверии создания будущих сверхзвуковых транспортных самолетов, в связи с ограничениями по уровню шума для самолетов категории сверхзвуковой перевозки, проводились исследования по применению шумоглушителей выхлопных газов, что привело к выводу о том, что "новая версия 593 с низкой степенью двухконтурности может быть подходящей для будущих поколений сверхзвуковых транспортных самолетов". Американская компания Curtiss Wright испытала лицензионную версию, известную как J67, и турбовинтовой двигатель TJ 38 Zephyr. Ни один из этих проектов не был реализован. Дальнейшие модификации Olympus использовались для судовых движителей и наземной выработки электроэнергии.
The Olympus was developed extensively throughout its production run, and the many variants can be described as belonging to four main groups. Initial non reheat variants were designed and produced by Bristol Aero Engines and Bristol Siddeley and powered the subsonic Avro Vulcan. These engines were further developed by Rolls Royce Limited. The first reheat variant, the Bristol Siddeley Olympus Mk 320, powered the cancelled BAC TSR 2 supersonic strike aircraft. For Concorde, this was developed during the 1960s into the Rolls Royce/Snecma Olympus 593, being further developed through several subsequent versions to eventually provide reliable airline service. The Olympus 593 is a prime example of "propulsion and airframe integration". To optimise the performance of the engine when used at speeds from takeoff up to Mach 2 on Concorde, a variable intake and a variable throat nozzle with thrust reversing system were developed. Looking ahead to future supersonic transports, due to noise limits for supersonic transport category airplanes, studies were conducted on ejector suppressors, leading to the conclusion that "a new, low bypass ratio version of the 593 could be suitable for future generations of supersonic transport aircraft". The American Curtiss Wright company tested a license developed version known as the J67 and a turboprop designated TJ 38 Zephyr. Neither design was produced. Further derivatives of the Olympus were produced for ship propulsion and land based power generation.